中药渣非等温热解反应动力学研究

摘要

植物类中药占中药总类89％以上,制药企业在生产过程中产生的大量中药渣废弃物富含纤维素、半纤维素、木质素等生物高分子,是一种储量丰富的生物质资源.然而中药渣含水量较高,易腐烂,造成环境污染,目前尚无有效处理利用方式.因此中药渣既是可再生资源,又是潜在的环境污染源.采用热化学转化方式将生物质废弃物转化为清洁燃气或生物油,被认为是生物质利用的最优前途的能源转化方式之一.通过生物质热化学转化技术实现中药渣的高值转化,是未来的一个发展趋势.热解作为生物质热化学转化的初始阶段,影响整个反应进程和效率.通过对热解反应动力学分析可深入了解反应过程和转化机理,对生物质热化学转化反应器设计和工艺优化具有重要的指导意义.国内外对农林类废弃物等常见生物质的热解反应动力学已进行了一些研究,但对中药渣的相关研究较少.因此本文采用非等温TG-DTG技术,对典型中药香砂养胃丸药渣进行热解反应动力学研究,考察TG-DTG曲线及特征值,求解表观活化能(Ea)等动力学参数,并推断中药渣热解最概然机理函数,以期对中药渣的高效热解气化利用技术提供理论指导.研究结果表明,与富含纤维素类生物质不同,香砂养胃丸药渣的热失重过程呈现两个主失重阶段,更具木质类生物质热解特性.随升温速率的增加,各试样的热失重主反应区曲线均向高温区偏移.结合非预置模型法和预置模型法求解了中药渣热解反应表观活化能,计算结果表明,在主反应区间内香砂养胃丸药渣热解反应表观活化能范围86.457-114.182kJ·mol-1,且随热失重进程,中药渣的表观活化能并非恒值,且呈现不同变化趋势,表明其具有不同的热解反应机理.对6类主要固态反应机制共19种典型固相反应机理函数采用预置模型普适积分法确定了中药渣热解过程最概然机理模式函数,结果表明两种化学反应模型F3,F4,三种扩散模型D2,D3,D4以及两种收缩核模型R2,R3呈现出较好线性结果,其中最概然机理函数模型为收缩核模型R3,表明香砂养胃丸药渣热解反应符合受表面反应速率控制的相边界反应机制.研究结果表明,中药渣热解具有良好的反应特性,可通过热解气化方式转为生物质燃气,实现中药渣废物资源的高附加值转化和清洁化利用.